BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Barium Stronsium Titanat (BaxSr1-xTiO3) BST merupakan kombinasi dua material perovskit barium titanat (BaTiO) dan stronsium titanat (SrTiO). Pada kedudukan A, kisi ABO3 dibagi bersama antara ion Ba2+ dan Sr2+, sedangkan B ditempati oleh ion Ti4+. Seperti pada gambar 2.1 (a) dan (b), menunjukkan struktur dan konstanta kisi dari BTO murni terhadap temperatur. Transisi dari keadaan kubik ke fase tetragonal (ferroelektrik) terjadi pada temperatur 669 K. Sedangkan pada STO murni berbentuk kubik pada suhu ruangan karena fase transisi dari kubik ke tetragonal terjadi pada 378 K (Kugeler, 2006).
Gambar 2.1. (a)
Gambar 2.1. (b) Gambar 2.1. Struktur: (a) stronsium dan (b) titanat
6
Feroelektrik merupakan material elektronik khususnya dielektrik yang terpolarisasi secara spontan dan memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya. Polarisasi yang terjadi merupakan hasil dari penerapan medan yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik. Selain itu ferroelektrik merupakan material yang memiliki polarisasi listrik dengan adanya medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat dihilangkan dengan memberikan medan eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat listrik yang muncul dari material dengan sifat listrik mokroskopiknya. Muatan positif dan negatif pada material ini berkaitan dengan sifat listrik pada material ini tidak selalu terdistribusi secara simetris. Jika jumlah muatan dikali jarak untuk semua elemen dari satuan sel tidak nol maka momen sel akan mengandung momen dipol listrik. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik. (Erviansyah, 2010). Polarisasi spontan yang besar menimbulkan ketergantungan suhu konstantanta dielektrik yang besar, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Konstanta kisi dari BaTiO3 terhadap fungsi suhu (C.Kugeler et al, 2006)
7
Gambar. 2.3. Tegangan bias dielektrik film tipis BST relative konstan dengan suhu pertumbuhan yang berbeda (X.H Zhu et al, 2005)
Penumbuhan pada suhu yang sangat tinggi dapat mengakibatkan kejenuhan difusi oksigen dan pembentukan lapisan kekurangan oksigen pada interface antara film tipis BST dan elektroda bawah dan dengan demikian konsentrasi oksigen dan cacat film jauh lebih tinggi, yang dapat mempengaruhi sifat dielektrik film tipis BST. Singkatnya, suhu yang sesuai sangat penting bagi pertumbuhan film tipis BST berkualitas tinggi pada wafer Si, dan pasca-anil oksigen murni sangat efektif untuk meningkatkan sifat listrik film tipis.
8
Tegangan bias bergantung pada konstanta dielektrik relatif untuk film tipis BST yang ditumbuhkan pada berbagai suhu, dimana tegangan karakteristik V diukur pada frekuensi 100 kHz dan suhu ruang dengan sinyal gelombang amplitudo kecil hingga 0,1 V (Atmel Corp. 2003). Umumnya digunakan untuk mengevaluasi kinerja keseluruhan bahan dielektrik untuk perangkat lunak microwave. Konstanta dielektrik film meningkat dengan meningkatnya suhu disebabkan oleh peningkatan kristalinitas dan pertumbuhan ukuran butir, dan peran nonlinier yang kuat dengan tegangan yang diterapkan. Degradasi dalam sifat dielektrik dengan mengurangi ketebalan film pada film tipis feroelektrik oleh adanya lapisan antarmuka dielektrik rendah pada satu atau kedua antarmuka elektroda.
2.2. Doping Semikonduktor Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat dikontrol dengan menambah sedikit bahan pendadah. Bahan pendadah ini juga disebut dopan. Semikonduktor dengan device elektronik yang dapat diperlukan untuk produksi massa. Tingkat larutan kimia yang diperlukan sangat tinggi dan tingkat kesempurnaan yang tinggi juga diperlukan karena adanya doping, bahkan dalam device yang berukuran mikro sekalipun dapat memiliki efek besar pada device material kristal, karena sedikit kesalahan dalam struktur kristal (seperti dislokasi, kembaran, dan retak tumpukan) akan mengganggu device semikonduktivitas dari material. Retakan kristal merupakan penyebab utama rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit mencapai kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa ini menggunakan ingot (bahan dasar) kristal dengan diameter antara empat hingga dua belas inci (300 mm) yang ditumbuhkan sebagai silinder kemudian diiris menjadi bentuk wafer. Dalam pembuatan film tipis diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur kristal untuk membuat perangkat semikonduktor.
9
Sebuah teknik untuk
mencapai kemurnian
yang tinggi termasuk
pertumbuhan kristal menggunakan proses Czochralski. Langkah tambahan yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kemurnian bahan dikenal sebagai perbaikan zona. Dalam perbaikan zona, sebagian dari kristal padat dicairkan. Pendadahan cenderung berkonsentrasi di daerah yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal kembali sehingga menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit kesalahan. Pada pembuatan perangkat semikonduktor yang melibatkan heterojunction antara bahan-bahan semikonduktor yang berbeda, konstanta kisi, antara lain panjang dari struktur kristal yang berulang, sangat penting untuk menentukan kompatibilitas antar bahan.
2.3.
Bahan Pendadah
Pendadah adalah bahan yang digunakan untuk menambah jumlah elektron atau hole pada material semikonduktor. Dalam penelitian ini, digunakan semikonduktor tipe-p sebagai pembawa mayoritas muatan hole. Doping dalam jumlah yang besar pada semikonduktor dapat meningkatkan faktor yang lebih besar dari satu milyard. Penambahan bahan pendadah dapat menyebabkan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik, dan sifat pyroelektrik dari keramik film tipis (Ban, 2002). Sifat semikonduktor Barium Stronsium Titanat akan menjadi baik bila diimpurisasi dengan bahan tertentu karena semikonduktor BST hanya dapat dihasilkan melalui pendadahan. Seperti dalam penelitian ini Fe2O3 digunakan sebagai bahan pendadah dimana divariasikan dalam empat ukuran, yakni 2,5%, 5%, 7,5% dan 10%, dengan maksud untuk mendapatkan ukuran yang terbaik untuk dapat mengeksitasi elektron dari pita valensi menuju pita konduksi. Untuk dapat merubah sifat material maka diperlukan bahan pendadah agar dapat merubah parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik dan pyroelektrik dari lapisan tipis. Untuk menaikan konsentrasi elektron atau hole, diperlukan bahan pendadah dalam kristal semikonduktor.
10
Dopan-dopan tersebut memiliki energi sedikit lebih besar diatas pita valensi (ekseptor) atau sedikit lebih rendah di bawah pita konduksi (donor). Akseptor menerima penambahan elektron dari pita valensi dan termuati ion-ion negative sehingga membentuk sebuah hole (doping-p). Donor melepaskan sebuah elektron kedalam pita konduksi dan termuati ion-ion positif (doping-n). Konsentrasi pembawa minoritas menjadi jauh lebih kecil dibandingkan dengan konsentrasi pembawa mayoritas (Kwok, 1995).
2.4. Karakteristik Arus–Tegangan Karakteristik arus–tegangan dari dioda, atau kurva I–V, berhubungan dengan perpindahan dari pembawa muatan melalui bagian yang dinamakan lapisan penipisan atau daerah pemiskinan yang terdapat pada pertemuan diantara semikonduktor p-n. Ketika pertemuan p-n, elektron pita konduksi dari daerah N menyebar ke daerah P dimana terdapat banyak hole yang menyebabkan elektron bergabung dan mengisi hole yang ada, baik hole dan elektron bebas yang ada tereksitasi, meninggalkan donor bermuatan positif pada sisi-N dan akseptor bermuatan negatif pada sisi-P. Daerah disekitar pertemuan p-n menjadi dimiskinkan dari pembawa muatan dan karenanya berlaku sebagai isolator. Walaupun demikian, lebar dari daerah pemiskinan tidak dapat tumbuh tanpa batas. Untuk setiap pasangan elektron-hole yang bergabung, ion dopan bermuatan positif ditinggalkan pada daerah terkotori-n dan ion dopan bermuatan negatif ditinggalkan pada daerah terkotori-p. Saat penggabungan berlangsung dan lebih banyak ion ditimbulkan, sebuah medan listrik terbentuk didalam daerah pemiskinan yang memperlambat penggabungan dan akhirnya menghentikannya. Medan listrik ini menghasilkan tegangan tetap dalam persambungan. Rapat muatan tetap merupakan muatan yang menetap di dalam material dielektrik, yang menunjukkan kecacatan kristal bagi material dielektrik karena dapat mengurangi jumlah ionisasi pada film terhadap metal (kontak alumunium) dan mengurangi nilai konstanta dielektrik karena terjadi dielectric loss akibat tegangan bias.
11
Dioda bandangan merupakan menghantar pada arah terbalik ketika tegangan panjar mundur melebihi tegangan dadal dari pertemuan p-n. Sifat listriknya mirip dan sulit dibedakan dengan dioda Zener, dan kadang-kadang salah disebut sebagai dioda Zener, padahal dioda ini menghantar dengan mekanisme yang berbeda yaitu efek bandangan. Efek ini terjadi ketika medan listrik terbalik yang membentangi pertemuan p-n menyebabkan gelombang ionisasi pada pertemuan, menyebabkan arus besar mengalir melewatinya, mengingatkan terjadinya bandangan yang menjebol bendungan. Dioda bandangan didesain untuk dadal pada tegangan terbalik tertentu tanpa menjadi rusak. Perbedaan antara dioda bandangan (yang mempunyai tegangan dadal terbalik diatas 6.2 V) dan dioda Zener adalah panjang kanal yang melebihi rerata jalur bebas dari elektron, jadi ada tumbukan antara mereka. Perbedaan yang mudah dilihat adalah keduanya mempunyai koefisien suhu yang berbeda, dioda bandangan berkoefisien positif, sedangkan Zener berkoefisien negatif.
2.5. Substrat Si (Silikon) Silikon merupakan unsur yang paling banyak kedua di kerak bumi setelah oksigen. Sebagian besar unsur bebas silikon tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan karbon yang berkualitas tinggi. Silikon untuk penggunaan semikonduktor dimurnikan lebih lanjut dengan metode pelelehan berzona kristal Czochralski. Kristal silikon ini memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan. Silikon oksidasi (SiO2) digunakan sebagai gate dielektrik karena bentuk non kristal (amorphous) yang sesuai untuk insulator, dengan daya tahan terhadap medan listrik yang tinggi (sekitar 10 MV/cm), kestabilan terhadap panas, dan lebih lagi karena kualitas interlayer Si/SiO2 yang tinggi (jumlah muatan yang terjebak dalam interlayer < 1011/cm). kualitas interlayer Si/SiO2 sangat penting peranannya karena merupakan bagian utama chanel dimana carrier (baik hole atau elektron) melintas. Hingga saat ini SiO2 masih tetap yang terbaik sehingga dapat digunakan dalam berbagai penelitian yang berkaitan dengan film tipis dan aplikasinya dalam device elektronik.
12
2.6. Ferium Oksida (Fe2O3) Untuk menambah daya konduksi semikonduktor yaitu dengan cara doping. Ini berarti menambahkan atom-atom yang tidak murni ke dalam kristal intrinsik untuk merubah daya konduksi listriknya. Apabila doping yang digunakan adalah atom pentavalen maka kristal dipastikan hanya dapat menghasilkan satu elektron bebas (atom donor), namun bila dimasukkan atom trivalen maka masing-masing hole akan membantu untuk menerima elektron bebas selama rekombinasi (atom ekseptor). Tidak semua atom dapat digunakan sebagai atom ekseptor atau atom donor, namun atom tersebut harus memenuhi beberapa syarat antara lain: mempunyai ukuran atom yang hampir sama dengan atom murni (semikonduktor intrinsik yang akan didoping), sehingga dapat masuk dan tidak merusak struktur kristal atom murni; serta memiliki jumlah elektron valensi berbeda dengan atom murni. Penambahan ion pendoping Fe3+ akan membentuk ruang hampa di posisi ion O2-. Ion dopan Fe3+ memiliki valensi lebih dari 4+, maka kekurangan muatan positif (+) akan terjadi pada struktur perovskite terbentuk ruang hampa pada posisi ion oksigen sebagai kompensasi untuk menetralkan (elektroneutraly balance). Semakin banyak penambahan ion Fe3+ maka dapat meningkatkan ion oksigen yang terlepas.
2.7. Fotodioda Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai cahaya. Fotodioda dianggap sebagai baterai solar, tetapi biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Device fotokonduktifitas dibuat dengan tujuan untuk menghasilkan perubahan resistansi atau tegangan ketika disinari cahaya. Dengan demikian divais banyak digunakan sebagai on-off devices (saklar), measuring devices, atau limited power sources. Fenomena fotokonduktivitas terjadi ketika sinar cahaya jatuh pada sebuah semikonduktor dan penyebab meningkatnya konduktivitas listrik. Pengukuran arus-tegangan merupakan hal yang sangat penting untuk penentuan sifat fotodioda (Arief 2010).
13
Fotodioda
merupakan
persambungan
semikonduktor
tipe-p
dan
semikonduktor tipe-n yang dapat menghasilkan arus listrik jika dikenai cahaya. Sifat fotodioda yang sensitiv terhadap perubahan intensitas cahaya dapat dimanfaatkan sebagai detector cahaya. Arus listrik ini merupakan hasil aktivitas lepasnya pasangan elektron-hole. Dengan penambahan pendadahan pada bahan semikonduktor maka dapat meningkatkan sensitivitas daerah tanggap fotodioda pada range cahaya yang jatuh pada permukaannya (Greane 1996 & Johnson 2004). Foton yang jatuh pada permukaan semikonduktor akan mentransfer energi pada atom penyusunnya. Jika energi foton ini lebih besar dari pada energi pita valensi semikonduktor maka elektron ini akan dapat tereksitasi pada pita konduksi. Elektron yang tereksitasi dari pita valensi ini akan meninggalkan hole pada valensi, sedangkan elektron yang ada pada pita konduksi akan mengalir sebagai arus listrik. Diantara persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n terdapat lapisan deplesi dengan besar medan listrik tertentu . Medan listrik pada lapisan deplesi ini akan mempercepat elektron-elektron yang terbebas dari lapisan-p menuju lapisan-n dan hole akan menuju lapisan-p. Pasangan elektron di dalam lapisan-n dan lapisan-p akan dihasilkan pada waktu yang bersamaan dan bergerak dari pita konduksi pada lapisan yang lain. Pada saat itu hole akan didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan dikumpulkan pada pita valensi dan lapisan-p. pasangan elektron-hole yang dihasilkan ini sebanding dengan cahaya yang diterima oleh lapisan-p dan lapisann. Muatan positif dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negative pada lapisan-n. Jika lapisan-p dan lapisan-n dihubungkan dengan rangkaian luar, elektron akan mengalir dari lapisan-p (Johnson 2004 & Irzaman 2008).
2.8.
Fotokonduktivitas Material berdasarkan nilai konduktivitas listrik dapat diklasifisikan menjadi
tiga yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. Perbedaan nilai dari konduktivitas listrik ketiga material tersebut seperti pada Gambar 4.3.1 yang menunjukkan spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas listrik. Material semikonduktor mempunyai nilai konduktivitas pada selang antara 10-8 – 103 S/cm.
14
Nilai konduktivitas suatu material tergantung pada material itu sendiri, listrik akan memiliki konduktivitas apabila terdapat bahan penghantar arus listrik. Persamaan berikut ini merupakan hubungan konduktivitas listrik dan resistansi : σ=
(2.1)
Fotokonduktivitas adalah konduktivitas listrik yang dihasilkan dari eksitasi electron dari pita valensi menuju pita konduksi ketika menyerap energi foton yang lebih besar dari energi pita terlarang. Elektron yang tereksitasi ke pita konduksi meningkatkan pembawa muatan sehingga meningkatkan konduktivitas listrik. Perubahan
resistansi
atau
tegangan
akan
terjadi
ketika
perangkat
fotokonduktivitas dikenai cahaya. Dengan demikian perangkat banyak digunakan sebagai ON-OFF device (saklar), measuring devices, atau limited power sources.
Gambar 2.4. Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas
